在激光雷达（LiDAR）、荧光寿命成像（FLIM）和光子数分辨（PNR）等光子计数型应用中，单光子到达时间的测量精度直接决定了系统的物理极限。即便是微小的时间不确定性，也可能限制距离分辨率、寿命测定精度或量子密钥传输速率。然而，这种不确定性，通常被称为时间抖动（timing jitter），即光子被探测到的到达时间的统计变化，通常主要归因于电子噪声或探测器响应特性，其根源往往与探测器内部的物理机制密切相关。
TCSPC揭示CMOS SPAD中的温度依赖性时间抖动
Wu等人近期在Sensors (2025)上发表的一项研究，系统调查了温度、光子波长和器件结构如何影响CMOS单光子雪崩二极管(SPAD)的时间抖动。研究团队使用时间相关单光子计数(TCSPC)测量，能直接观察到探测器内部的载流子输运如何影响测量到的时间分布。
时间抖动的物理起源
为了探究时间抖动的物理机制，研究人员对比了两种掺杂分布不同的CMOS SPAD器件。实验采用405 nm、780 nm和905 nm三个波长的皮秒激光激发，分别对应硅中不同的吸收深度：短波在表面附近产生载流子，长波则穿透到器件更深处。
用于测量CMOS SPAD探测器中依赖于温度的时间抖动的实验装置，该装置使用皮秒激光激发和时间相关单光子计数。
时间测量基于时间相关单光子计数（TCSPC）方法，记录单个光子相对于激发脉冲的到达时间，从而生成统计时间直方图。探测器的时间性能通过TCSPC直方图的宽度评估，通常由主峰的半高全宽（FWHM）和较宽的十分之一最大值全宽（FWTM）尾部来描述。
温度依赖性：两种设计的显著差异
两种SPAD设计表现出截然不同的时间行为。
▫第一种设计：在405 nm激发下表现出强烈的温度依赖性时间抖动。光子在探测器表面附近被吸收，载流子在到达雪崩区之前必须扩散通过弱场区域。这种扩散过程显著加宽了时间分布并产生了长直方图尾部。
▫第二种设计：SPAD结构结合了改进的掺杂层，增强了内部电场。结果显示载流子被更迅速地驱动向雪崩区，显著减少了扩散效应。该探测器保持了约150 ps FWHM的时间分辨率，且温度依赖性极小。
使用TCSPC测量的不同温度下CMOS SPAD探测器的时间抖动直方图。分布的展宽，特别是在405 nm等较短波长下，揭示了载流子扩散对光子计时的影响日益增加。改编自Wu等人，Sensors (2025)。
关键结论：载流子扩散是主导机制
实验表明，半导体内部的载流子扩散是温度依赖性时间抖动的主要来源。当光子在强场雪崩区之外被吸收时，产生的载流子在触发雪崩过程之前必须穿过器件。这种传输所需的时间取决于载流子迁移率、扩散系数、电场分布和温度。TCSPC直方图使这些过程变得清晰可见，揭示了器件结构和载流子传输如何决定探测器的时间性能。
PicoQuant在本研究中使用的仪器
LDH系列皮秒二极管激光器
该研究采用了LDH系列的皮秒脉冲二极管激光器，激发波长分别为405 nm、780 nm和905 nm。
主要特点：
· 更高的激发精度
· 更快的数据采集速度
· 更好的信号质量
· 更大的灵活性
· 更可靠的长期性能
· 一致的输出
· 无缝的系统集成
· 稳健的同步性能
LDH系列皮秒二极管激光头，专为与PicoQuant的Sepia PDL 828、Sepia PDL 810和PDL 800-D无缝配合使用而设计。
PicoHarp 330：精确且通用的时间标记与TCSPC单元
光子到达时间是使用PicoHarp 300记录的，该TCSPC单元为探测器表征、荧光寿命测量和飞行时间实验等应用提供皮秒级分辨率的光子计时。
主要特点：
· 卓越的计时精度
· 灵活的触发选项
· 可升级的通道配置
· 通过USB实现高吞吐量
· 智能板载事件过滤器
PicoHarp 330：精确且通用的时间标记与TCSPC单元。
将TCSPC引入您的实验
SPAD的时间抖动不仅仅由电子元件决定，更与器件内部的载流子传输机制密切相关。研究这类效应，需要精确控制激发和光子计时电子设备。皮秒脉冲激光器与TCSPC仪器相结合，使研究人员能够直接观察光子探测器内部的时间分布和载流子传输效应。
如果您正在研究SPAD计时性能、荧光寿命或光子到达统计信息，TCSPC是一种直观、高精度的分析方法。
欢迎进一步了解PicoQuant的TCSPC解决方案，包括 PicoHarp 330 和 LDH系列皮秒二极管激光器，它们广泛用于探测器表征和光子计时实验。